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科技前沿
编 辑 ／ 程 廷　美 编 ／ 付 晓 亮
２０１２ 年　９ 月 ２８ 日　星 期 五　我国压电器件、磁电材料研究获得重大进展
一 . 高温微型压电马达
传统的电磁线圈马达利用电磁感应产
生驱动力，一般工作温度不超过120℃。但
在许多场合，需要可在高温条件下工作的驱
动器，如内燃机油阀、某些化工中的高温
气阀、以及其它需要在高温环境下操作的精
密电控执行器等。北京大学工学院董蜀湘教
授课题组在国家基金委项目资助下，最近发
展了基于锰掺杂钪酸铋-钛酸铅（）压电陶
铋-钛酸铅压电陶瓷马达具有体积小、驱动
力大、运动速度快，以及高的热稳定性等特
点。该压电微马达在汽车、航天、能源、化
工、以及精密制造等领域具有潜在的应用前
景。
二 . 高温压电驱动器
针对某些特殊环境下的高温应用，最
图 １ 高温直线型压电马达
瓷材料的高温压电超声直线微马达样机，尺
寸仅。在所设定尺寸下，该马达一阶线性
共振频率和二阶弯曲共振频率非常接近，
约100kHz。因此，该马达采用L1-B2驱动
模式。因压电陶瓷材料的居里温度很高，
在高温下仍具有稳定的驱动性能。实验测
近北京大学工学院董蜀湘教授课题组在国家
基金委项目资助下，研发出可在250C高温
下工作、具有微纳米分辨率的压电驱动器。
这一研究成果已发表在国际权威刊物美国
应用物理快报（Applied Physics Letters，
101(1)，2012）刊物上，论文第一作者是课
题组陈建国博士
后。
该压电驱动
器为单片环形结
构，工作在轴对称
剪切-弯变驱动机
理—这是该课题组
提出的独特工作机
理。压电驱动器由
高性能（钪酸铋钛酸铅）高温压电
陶瓷材料制成。压
电驱动器在电场激
励下产生的位移一
般非常微小。为了
获得大的位移量，
压电驱动器一般使
用环氧树脂等粘结
剂制备成双层结
构，或通过共烧制
图 ３　压电单晶微型马达
备成多层结构。但
在高温下会出现层间
试表明，在高温下该马达能产生0.36N的驱 滑动问题。该驱动器采用单片结构，未使用
动力，且直线运动速度可达到42mm/s。该 环氧树脂等粘结剂，因此不用考虑粘结剂的
成果已发表在国际权威刊物美国应用物理 耐高温程度。测试结果表明，在外加电压
快报（Applied Physics Letters，101(7)， 下，该驱动器中心产生的剪切-弯变位移是
2012）刊物上，文章第一作者是课题组李晓 同样尺寸压电圆片位移的11-14倍。 而且
天博士研究生。
该驱动器能够在高达250C的高温环境下稳
与传统的电磁马达相比，锰掺杂钪酸 定工作，从而解决了目前传统压电驱动器在
高温苛刻环境下不能稳定工作的难题。
研制的高温压电驱动器有望在微型燃
油阀、气体阀，以及其它需要在高温环境中
作为精密执行器等领域获得应用。
三 . 用于驱动光学器件的
压电单晶微驱动器
下，发展了一种改进型的悬臂梁式磁电复合
材料，该结构由一个压电纤维-磷铜片复合
悬臂梁，以及复合在悬臂梁自由端的铷铁硼
磁铁而组成。改进的结构大大增强了系统的
磁电耦合系数，同时伴随有大的磁致弯曲
振动效应。该研究成果论文已被国际权威
刊物美国应用物理快报（Applied Physics
Letters）刊物接收，论文第一作者是课题
组刘国希博士研究生。
这种改进型的悬臂梁式磁电复合材
由于智能照相手机、超微型数码相机
越来越普及，对于可执行光学镜头聚焦、
变焦的超微型驱动
器的需求就变得越
来越迫切。北京大
学工学院董蜀湘教
授课题组在国家基
金委项目资助下，
研发出尺寸仅为
1.51.55mm3，重
量仅0.1g的压电单
晶超声微驱动器。
该驱动器主要用于
微光学器件聚焦、
变焦的精密执行
器。研究成果发表
在美国电子工程师
系列刊物（IEEE
UFFC，58(12)，
图 ２　高温压电驱动器
2011），文章第一
作者是课题组郭明森博士后。郭博士目前在
料，其工作原理是基于磁力偶-悬臂梁弯应
南京航空航天大学任副教授。
变-压电耦合机理，即利用外磁场作用在磁
该驱动器采用PIN-PMN-PT单晶压电
铁上产生一对磁力偶，磁力偶再通过弹性悬
材料制成。驱动器工作在一阶弯曲驱动模
臂梁的弯应变迫使复合在悬臂梁上的压电纤
式，将本身的高频微观位移（亚微米振动
幅度）转换成宏观
的线性位移。测试
结果表明，该压电
单晶驱动器可产生
26 mN/mm3的单
位体积驱动力，同
时可驱动一滑块以
50mm/s的速度运
动。这个结果是可
比尺寸音圈马达驱
动力的110倍。即
使和压电陶瓷超声
马达相比，也要高
出4倍。
该压电单晶
驱动器可以应用于
需要在微小空间产
生高输出力、高精
度、快速响应的精
密运动执行器，这
包括微型光学及成
像仪器、医用内窥
图 ４　悬臂梁式磁电复合材料
镜，以及下一代光驱
维弯曲而实现超强的力-磁-电耦合效应。
中。
实验结果显示，这种磁电复合结构工作在一
阶弯曲谐振频率5Hz情况下，其磁-电耦合
四 . 具有强磁 - 电耦合功能的压电、 系数可高达1600V/cm-Oe，这比目前已有
铁磁复合材料
的磁电复合材料高出10倍左右。实验还发现
这种悬臂梁式磁电复合结构，在磁场激励下
多物理场耦合的研究在物理、材料科 可产生强的弯曲振动，这种磁致弯曲振动效
学、电子器件等领域一直很受重视。近年 应可应用于磁场遥控执行某些操作功能。
来，磁电效应因其作为新型功能器件的潜在
基于磁力偶-弯应变-压电的磁电耦合
应用前景，各国科学家一直在寻找新的铁 机理，显著改进了磁电复合材料的低频率磁
磁、铁电复合材料，期望获得更强的磁-电 响应，为发展下一代高灵敏度低频率磁传感
耦合能力。国内在磁电复合材料研究领域一 器、磁遥控执行器、新型智能电子器件带来
直非常活跃。最近，北京大学工学院董蜀 希望。
湘教授课题组在国家基金委和973项目资助